淺析QA-ES高頻電刀分析儀功率測量采集電路設(shè)計

黃華，劉亞軍

中國人民解放軍第309醫(yī)院醫(yī)學工程科，北京 100091

0 前言

高頻電刀，即高頻電外科設(shè)備（Electro-Surgical Unit，ESU），主要用在手術(shù)中對組織進行切割和凝血，其切割速度快、止血效果好、操作簡單、安全方便，可以大大縮短手術(shù)時間，減少患者失血量，從而降低并發(fā)癥的發(fā)生率，在臨床上得到了廣泛應用。高頻電刀是一種對安全性要求較高的醫(yī)療設(shè)備，其輸出功率必須準確可靠，才能達到預期的手術(shù)效果，在輸出功率超標的情況下會產(chǎn)生灼傷患者的醫(yī)療事故，因此必須定期對高頻電刀的輸出功率進行質(zhì)控檢測[1-2]。

高頻電刀分析儀是用于檢定高頻電刀輸出功率和漏電流的有效設(shè)備，國外已有多種該類產(chǎn)品，如FLUKE的QAES II，國內(nèi)目前尚無自主知識產(chǎn)權(quán)的相應產(chǎn)品供給市場。

近期解放軍總醫(yī)院醫(yī)學保障部開發(fā)設(shè)計了一款高頻電刀分析儀系統(tǒng)，由采集模塊和控制模塊兩大部分組成。采集模塊包括負載箱、能量轉(zhuǎn)換電路、放大器、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、負載控制器、單片機，主要完成高頻信號的能量轉(zhuǎn)換、放大、采集等功能。能量轉(zhuǎn)換電路以寬帶RMS-DC轉(zhuǎn)換芯片LT1088為核心，利用熱轉(zhuǎn)換原理，當高頻電刀對分析儀內(nèi)的電阻負載箱放電時，對分壓后的信號進行電壓有效值-直流轉(zhuǎn)換，把輸入的高頻模擬信號首先轉(zhuǎn)換成熱能，再通過外部電路，將熱能信號以直流電壓的形式輸出。此電壓輸出信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后，進入采集模塊的單片機進行運算。該設(shè)計采用熱轉(zhuǎn)換原理，具有非常廣的輸入信號頻率范圍和良好的頻響特性[3-4]。

下面以METRON的QA-ES高頻電刀分析儀為參考，探討其功率測量采集的電路設(shè)計與實現(xiàn)。

1 電源供電單元

QA-ES背面板上變壓器輸出的12V AC（交流電壓）經(jīng)D9橋式整流后，得到+12 V電壓（測試點TP2），該+12 V電壓經(jīng)CMOS（互補金屬氧化物半導體）電壓轉(zhuǎn)換器U9（ICL7662）后，得到-12 V電壓?！?2 V分別經(jīng)正、負壓三端可調(diào)穩(wěn)壓器U17（LM317）和U19（LM337）得到+6 V（測試點TP16）、-6 V（測試點TP17）輸出。電源供電單元原理，見圖1。

2 可變負載單元

QA-ES的負載箱（可變阻值10～5200 Ω）包括可變負載電阻、測量電阻以及可變衰減器。高壓繼電器K1控制可變負載連接到ESU。可變負載電阻R3～R16（分別由對應繼電器K2～K10控制）與測量電阻R1（電阻值為2 Ω）串聯(lián)。測量電阻R1上的高頻電壓信號經(jīng)可變衰減器后輸出到功率測量單元。該可變衰減器由10 dB衰減器（R20～R22、K12）和20 dB衰減器（R26～R30、K13）組成，串聯(lián)后可得到共30 dB衰減的測量高頻電壓信號輸出?？勺冐撦d單元原理，見圖2。

3 功率測量單元

QA-ES的功率測量單元以寬帶（直流至500 MHz）四象限乘法器U15（AD834）與BiFET高速運放U25（AD711）組成的均方（Mean Square）電路為核心，注意這里并不是均方根（Root Mean Square）。來自可變負載測量電阻的衰減高頻電壓信號經(jīng)5階無源巴特沃斯低通濾波器（L1、L2、C5、C6、C7組成，f3dB≈10 MHz，測試點TP1）濾波后連接到AD834的X、Y輸入端。AD834的輸出電流，注意這里X=Y。使用AD834的主要難度在于其電流模式輸出級，為了盡可能維持最高帶寬，其輸出采用開路集電極的差分電流對形式。因此，為了得到傳統(tǒng)的單端接地基準電壓輸出，AD834的輸出端先由決定整個均方電路時間常數(shù)的濾波器（C8、C9、R35、R36組成，f3dB≈16 kHz）濾波后，再連接到差分運放AD711的輸入端，注意該時間常數(shù)對應AD711的輸出電壓信號幅度。AD711完成濾波（R32、C11、R85、C10組成，f3dB ≈ 340 Hz）與放大（差分放大器，差分增益Gd=4.7，測試點TP4）功能。后繼的兩個運放U13（AD711）、U14（AD711）分別提供20 dB的放大（均為正相放大器，正相增益G=11，測試點TP5、TP6），以保證輸出到A/D轉(zhuǎn)換采集單元的最優(yōu)動態(tài)范圍。功率測量單元原理，見圖3。

參見圖3，對功率測量單元進行校準，首先短路RF SIGNAL到地，然后調(diào)節(jié)可調(diào)電位器（表1），并測量相應測試點的電壓，使之盡可能為0 V。

表1 QA-ES功率測量的功率測量單元校準表

4 模數(shù)轉(zhuǎn)換采集單元

QA-ES功率測量電路與正、負峰值檢測電路輸出的電壓信號經(jīng)DG485DJ模擬開關(guān)選擇后，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換采集芯片LTC1272得到均方值與正、負峰值，然后由主處理宏模塊16MM16的軟件計算得到均方根值與波峰因子。

5 小結(jié)

高頻電刀分析儀對ESU輸出功率的測量采集可以有多種電路實現(xiàn)形式，但其核心通常都是寬帶RMS-DC（有效值直流轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換。在借鑒國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高頻電刀分析儀，可以在醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制中發(fā)揮作用，并打破外國企業(yè)的技術(shù)與價格壟斷，具有一定的經(jīng)濟效益與社會效益[5-8]。

[1]趙鵬,賈建革,吳建剛,等.高頻電刀質(zhì)量控制檢測依據(jù)的探討[J].中國醫(yī)學裝備,2010,7(9):27-29.

[2]趙玉祥,劉吉祥,陸佳,等.高頻電刀質(zhì)量控制檢測方法的實踐與探討[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(1):61-62.

[3]陳廣飛,周丹,周娟.高頻電刀分析儀的研究與設(shè)計[J].北京生物醫(yī)學工程,2009,28(4):412-415.

[4]陳廣飛,周丹.高頻電刀分析儀校準方法研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30(8):9-10.

[5]錢正瑛.高頻電刀的安全性檢測總結(jié)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(12):66-68.

[6]喬金新,張慶勇,李振彪,等.QA-ES高頻電刀檢測儀故障3例與維護[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(3):118-119.

[7]喬金新,張慶勇,劉凱.高頻手術(shù)設(shè)備檢測儀的研究與應用[J].中國醫(yī)學裝備,2006,(4):45-48.

[8]喬金新,張慶勇,李毅,等.高頻手術(shù)設(shè)備檢定方法[J].中國醫(yī)學裝備,2005,(11):61-62.